肥料液滴撞击茶叶表面的动态行为机制及其对茶园施肥效率的优化研究

本文采用实验与CLSVOF（耦合水平集和流体体积）界面捕捉方法，系统研究了肥料液滴撞击茶叶（乌牛早品种）表面的动态行为。通过分析韦伯数（We）和倾角α对液滴铺展直径、最大铺展时间等参数的影响，揭示了惯性力与表面张力的博弈机制，为茶园喷灌系统的参数优化提供了理论依据。研究发现三种典型撞击模式（沉积、回缩破裂和滑落），并建立了WeT（切向韦伯数）与重力协同作用下的液滴动力学模型。

　　

Highlight

肥料液滴撞击茶叶表面的动态行为机制研究

实验与模拟方法

通过高速摄像实验与CLSVOF（Coupled Level Set and Volume of Fluid）界面追踪技术，模拟了液态氮肥液滴撞击乌牛早茶叶表面的过程。重点分析了韦伯数（We=ρv₀²D₀/γ）和叶片倾角α对液滴行为的影响，发现液滴会经历"拉伸-回弹-飞溅"的戏剧性变形，就像跳伞运动员着陆时的翻滚动作。

关键发现

1. 1.

   三种撞击模式：

   • •

     沉积：低We时液滴像果冻般稳稳"坐"在叶面

   • •

     回缩破裂：中等We下液滴像被戳破的气球般分裂

   • •

     滑落：高We或大倾角时液滴上演"叶片滑梯"大逃亡

2. 2.

   切向力魔法：

   切向韦伯数（We_T）和重力组成的"双人舞"会显著延长液铺展秀，当α>30°时，液滴会变身"溪流"沿叶脉巡游。

Section snippets

液滴特征参数

就像给液滴做"体检"，研究了表面张力（γ）、粘度（μ）等物理特性，以及直径（D₀）、撞击角等运动参数。液态氮肥因其高溶解性成为研究主角，其物性参数比普通农药液滴更"狂野"。

实验装置

搭建了包含蠕动泵、高清摄像的"液滴观测站"，通过调节针头高度控制液滴自由落体速度（v₀），就像调节跳水台高度。新鲜乌牛早茶叶被固定在可调倾角平台上，等待液滴"轰炸"。

控制方程

采用Navier-Stokes方程描述这场"液体芭蕾"，表面曲率（κ）通过Level Set函数捕捉，就像用数学显微镜观察液滴变形。公式中ρ为密度，σ是表面张力系数，这些参数共同导演了液滴的形态变化大戏。

结论

这项研究就像给茶园施肥装了"慢动作镜头"，揭示了液滴撞击的动力学密码。发现当We>80且α>45°时，肥料液滴容易上演"逃跑计划"，这为设计"智能喷头"提供了关键参数，让更多肥料能精准留在叶片上开"营养派对"。